TWI608249B - 抬頭顯示裝置 - Google Patents

Description

抬頭顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，特別是指一種抬頭顯示裝置。

將抬頭顯示裝置(head up display，HUD)應用於汽車中，能讓駕駛員無需低頭即可看到儀表板的重要資訊，從而使駕駛員在開車注視路況的同時，便能觀察得知儀表板上的重要資訊。

抬頭顯示裝置通常是由一能產生影像的圖像產生單元(picture generating unit，PGU)，及多個用以補償像差及放大影像的凹凸面鏡所共同構成，目前可將抬頭顯示裝置概分為擋風玻璃式抬頭顯示裝置(windshield type HUD)及疊像式抬頭顯示裝置(combiner type HUD)兩種。

以擋風玻璃式抬頭顯示裝置而言，主要是藉由該圖像產生單元產生影像而依序傳至該等凹凸面鏡，從而將影像投影至汽車擋風玻璃上。為了能將影像放大且清楚地呈現於擋風玻璃上，該 等凹凸面鏡必須針對每一台汽車的擋風玻璃的曲率進行校正。然而，擋風玻璃的組裝公差非常大，就算是同一廠牌型號的汽車，仍須針對個別的擋風玻璃的曲率重新校正該等凹凸面鏡，導致消耗了額外的成本與工時。再者，為了能讓影像投影至擋風玻璃的足夠遠處以使駕駛員便於觀看，其影像的等效物距也必須隨之增加，從而造成抬頭顯示裝置的體積無法有效縮小。

另外，以疊像式抬頭顯示裝置而言，其是以一額外的外裝顯示屏幕取代汽車的擋風玻璃，從而將圖像產生單元產生的影像投影至該外裝顯示屏幕上。此種抬頭顯示裝置主要是將該外裝顯示屏幕製作成具有曲率的凹面鏡，以使抬頭顯示裝置減少凹凸面鏡的使用，從而有效減少抬頭顯示裝置的體積。然而，將該外裝顯示屏幕製作成具有曲率的凹面鏡的成本昂貴且加工不易，當該外裝顯示屏幕的曲率加工不精準時，會導致投影於其上的影像變形。此外，該外裝顯示屏幕通常會再鍍上一層薄膜，用以使投影於其上的影像更為清晰，但該層薄膜則會因日曬或高溫環境而產生脫落，進而影響影像品質。

由此可知，前述兩種抬頭顯示裝置各自具有待改善的缺點，此外，由於擋風玻璃與駕駛員的水平視角的夾角通常介於25°~35°之間，而該外裝顯示屏幕與駕駛員的水平視角的夾角則介於60°~70°之間，因此，前述的兩種抬頭顯示裝置必須針對此角度差 異而各別設計，當然也就無法相互交換使用。因此，如何有效降低抬頭顯示裝置的體積，並減少其生產成本及讓同一台抬頭顯示器產生的影像不僅能投影於擋風玻璃，也能投影於外裝顯示屏幕的多重應用，是本領域技術人員所待解決的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種能同時應用於一車輛的一擋風玻璃及一外裝顯示屏幕的抬頭顯示裝置。

於是，本發明抬頭顯示裝置，適用於反射在一車輛的一擋風玻璃及一外裝平面屏幕的其中一者，並供一使用者觀看，該抬頭顯示裝置包含一圖像產生單元、一曲面鏡，及一凹面鏡。

該圖像產生單元能產生一沿一第一光路行進的影像光線。

該曲面鏡位於該第一光路上，用以反射該圖像單元產生的該影像光線，而形成一第一反射影像光線，該第一反射影像光線沿一與該第一光路成角度的第二光路行進。

該凹面鏡位於該第二光路上，該凹面鏡用以反射該第一反射影像光線，而形成一第二反射影像光線，該第二反射影像光線沿一與該第二光路成角度且與該第一光路交錯的第三光路行進，而反射於該擋風玻璃及該外裝平面屏幕的其中一者。

本發明之功效在於，藉由讓該第二反射影像光線沿與該第二光路成角度且與該第一光路交錯的該第三光路行進，進而縮小整體體積，且僅需利用改變該圖像產生單元、該曲面鏡，及該凹面鏡三者與該使用者的相對關係，即能反射於該擋風玻璃或該外裝平面屏幕。

100‧‧‧擋風玻璃

101‧‧‧儀表板平台

200‧‧‧外裝平面屏幕

2‧‧‧抬頭顯示裝置

21‧‧‧圖像產生單元

22‧‧‧曲面鏡

23‧‧‧凹面鏡

OP₁‧‧‧第一光路

OP₂‧‧‧第二光路

OP₃‧‧‧第三光路

A‧‧‧第一圖案

A’‧‧‧第二圖案

θ₁‧‧‧第一夾角

θ₂‧‧‧第二夾角

L₁‧‧‧第一假想線

U‧‧‧使用者

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明抬頭顯示裝置的一實施例反射於一車輛的一擋風玻璃的一態樣；圖2是一示意圖，說明本發明該實施例反射於一外裝平面屏幕的一態樣；圖3是一局部示意圖，輔助說明圖1之該實施例反射於該車輛的該擋風玻璃的另一態樣；圖4是一局部示意圖，輔助說明圖2之該實施例反射於一外裝平面屏幕的另一態樣；圖5是一示意圖，說明本發明抬頭顯示裝置，反射於該擋風玻璃或該外裝平面屏幕之一第一光路、一第二光路，及一第三光路三者的關係； 圖6是一示意圖，說明本發明抬頭顯示裝置反射於該擋風玻璃時，可調整一凹面鏡角度來改變使用者視角；及圖7是一示意圖，說明本發明抬頭顯示裝置反射於該外裝平面屏幕時，可調整該外裝平面屏幕或該凹面鏡角度來改變使用者視角。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明抬頭顯示裝置2的一實施例是安裝於一車輛的一儀表板平台101下，並包含一圖像產生單元21、一曲面鏡22，及一凹面鏡23。

該圖像產生單元21能產生一沿一第一光路OP₁行進的影像光線。該曲面鏡22位於該第一光路OP₁上，用以反射該圖像單元21產生的該影像光線，而形成一第一反射影像光線，該第一反射影像光線會沿一與該第一光路OP₁成角度的第二光路OP₂行進。該凹面鏡23位於該第二光路OP₂上，用以反射該第一反射影像光線，而形成一第二反射影像光線，該第二反射影像光線沿一與該第二光路OP₂成角度且與該第一光路OP₁交錯的第三光路OP₃行進，而往遠離該抬頭顯示裝置2方向射出。其中，該第一光路OP₁為鄰近該儀表板平台101行進至該曲面鏡22，該第二光路OP₂則是朝遠離該儀表板平台101方向行進並與該曲面鏡22成一夾角至該凹面鏡23。

具體地說，該圖像產生單元21與該曲面鏡22分別鄰近該儀表板平台101地設置，而該凹面鏡23遠離該儀表板平台101設置，並位於圖像產生單元21與該曲面鏡22之間。詳細地說，可定義一由一使用者U觀看的水平視角線，該圖像產生單元21與該曲面鏡22至該水平視角線的垂直距離小於該凹面鏡23至該水平視角線的垂直距離。再者，當該第二反射影像光線反射於該擋風玻璃100時，該曲面鏡相較該圖像產生單元21與該凹面鏡23是最鄰近於該使用者U設置，當該第二反射影像光線反射於該外裝平面屏幕200時，該曲面鏡22相較該圖像產生單元21與該凹面鏡23是最遠離該使用者U設置。

要說明的是，配合參閱圖3與圖4，該凹面鏡23的位置設置並不限如圖1與圖2所示，也可設置於該圖像產生單元21的另一相反側，而呈現如圖3與圖4所示的該凹面鏡23相對於該圖像產生單元21的位置。將凹面鏡23改變成如圖3與圖4的設置位置時，其他元件的設置條件亦依據前述圖1與圖2方式進行相同的設置。此外，該圖像產生單元21、該曲面鏡22，及該凹面鏡23可共同設置於一罩殼(圖未示)內而安裝於該儀表板平台101下，由於將該些光學元件設置於該罩殼的方式為本領域技術人員所熟知，於此不加以贅述。

另外要說明的是，本發明該抬頭顯示裝置2主要是藉由該凹面鏡23將該第一反射影像光線放大而產生沿該第三光路OP₃行進的該第二反射影像光線。然而，若僅使用該凹面鏡23放大該影像光線時，會造成經放大的影像光線產生扭曲失真(distortion)並具有像差(aberration)問題。因此，為了補償影像扭曲失真與像差問題，本發明藉由該曲面鏡22，先將該影像光線轉換成該第一反射影像光線，從而使其經該凹面鏡23放大產生的第二反射影像光線能清晰地成像。其中，該曲面鏡22可以選自凸面鏡及凹面鏡的其中一者，只要能與該凹面鏡23做像差補償即可，較佳地，本實施例的該曲面鏡22是選用凹面鏡為例作說明。更佳地，還可依成像品質而相對應地調整該曲面鏡22與該凹面鏡23的曲率半徑，由於此調整的技術手段為本領域技術人員所熟知，於此不加以贅述。

此外，改善該抬頭顯示裝置2的成像品質的方式除了調整該曲面鏡22及該凹面鏡23之外，還可藉由先調整該圖像產生單元21產生的該影像光線，從而達成像差補償的效果，由於此方式的調整亦為本領域技術人員所熟知，於此不加以贅述。

本發明該抬頭顯示裝置2不但藉由讓該第三光路OP₃與該第一光路OP₁彼此相交錯，而有效減小該抬頭顯示裝置2的體積，而且，本發明該抬頭顯示裝置2還適用於反射在一車輛的一擋風玻璃100或一外裝平面屏幕200，而供該使用者U觀看。

一般來說，該擋風玻璃100與使用者U的水平視角的夾角(25°~35°)通常是小於該外裝平面屏幕200與使用者U的水平視角的夾角(60°~70°)，因此，現有的抬頭顯示裝置必須針對此視角差異而設計不同的抬頭顯示裝置。

然而，本發明該抬頭顯示裝置2可克服此一缺點，而能在不改變該抬頭顯示裝置2的內部結構，而將該抬頭顯示裝置2應用於反射在該擋風玻璃100或該外裝平面屏幕200，無需針對兩種態樣而重新設計該抬頭顯示裝置2。也就是說，當本發明該抬頭顯示裝置2要分別反射在該擋風玻璃100及該外裝平面屏幕200時，只要將該抬頭顯示裝置2相對該使用者U前後翻轉180度，並根據反射位置微調該抬頭顯示裝置2的整體傾斜角度即可。

具體地說，若要讓本發明該抬頭顯示裝置2反射於該擋風玻璃100上時，則如圖1所示，將該抬頭顯示裝置2安裝於該車輛的一儀表板平台101下，並讓該圖像產生單元21遠離該使用者U，令該凹面鏡23位於該圖像產生單元21與該使用者U之間，從而讓第二反射影像光線由第三光路OP₃行進而反射於該擋風玻璃100。

相反地，若要讓本發明該抬頭顯示裝置2反射於該外裝平面屏幕200上時，僅須將該抬頭顯示裝置2前後翻轉180度，使該圖像產生單元21鄰近該使用者U而位於該凹面鏡23與該使用者U之間，如此即能讓該第二反射影像光線沿該第三光路OP₃行進而反 射於位在該擋風玻璃100與該儀表板平台101之間的該外裝平面屏幕200。也就是說，本發明該抬頭顯示裝置2藉由簡單地方向翻轉，即能克服視角差異而能達成反射於該擋風玻璃100與該外裝平面屏幕200的雙應用。以上說明是以圖1與圖2來例示，本發明並不限制於此例。

更詳細地說，參閱圖5，為了更清楚的說明該曲面鏡22與該凹面鏡23兩者之間的關係，圖5為該抬頭顯示裝置2可同時應用於反射在該擋風玻璃100與該外裝平面屏幕200的示意圖。定義一垂直該第一光路OP₁而位於該圖像產生單元21與該曲面鏡22之間的第一假想線L₁，且該圖像產生單元21、該曲面鏡22，及該凹面鏡23三者的相對位置是固定，當該第二反射影像光線反射於該擋風玻璃100相較於該第二反射影像光線反射於該外裝平面屏幕200時，該圖像產生單元21、該曲面鏡22，及該凹面鏡23分別以該第一假想線L₁呈鏡像設置即可。

此處要說明的是，由於本發明該抬頭顯示裝置2已藉由該圖像產生單元21、該曲面鏡22，及該凹面鏡23相互配合調整，而補償該第二反射影像光線的像差，因此，該第二反射影像光線直接反射於該擋風玻璃100或該外裝平面屏幕200上時，其成像的扭曲失真百分比已小於該使用者U的眼睛所能分辨的臨界值(2.5%)。也就是說，該抬頭顯示裝置2不僅能反射於具有曲率的擋 風玻璃100，也可直接反射於平面的屏幕上(即該外裝平面屏幕200)，進而降低現有曲面屏幕的製作成本。值得一提的是，該外裝平面屏幕200為具有部分反射與部分穿透的半反射平面鏡片，相較於現有的曲面屏幕，本發明直接反射在外裝平面屏幕200的優點在於，此半反射平面鏡的外裝平面屏幕200的成本低，且後續維修也更為方便。

此外，當使用者U在觀看該抬頭顯示裝置2於該擋風玻璃100(或該外裝平面屏幕200)的之後的成像時，為了讓其眼睛的水晶體調節不會感到疲勞，則可進一步地限定使用者U的眼睛與該擋風玻璃100(或該外裝平面屏幕200)後面的虛像I距離大於1.5公尺。

再次參閱圖5，當該第二光路OP₂由該曲面鏡22往該凹面鏡23行進時，具有一與該曲面鏡22的一法線成角度的第一夾角θ₁，及一與該凹面鏡23的一法線成角度的第二夾角θ₂。為了使該抬頭顯示裝置2具有最小的高度，可藉由調整該第一夾角θ₁與該第二夾角θ₂的比值關係，從而縮小該抬頭顯示裝置2的體積，且調整該第一夾角θ₁與該第二夾角θ₂的比值關係的同時，還能使其成像具有最小化的影像像差。較佳地，本發明該抬頭顯示裝置2的該第一夾角θ₁與第二夾角θ₂的比值介於0.43~1.25。

此外，當該抬頭顯示裝置2欲將影像反射於該擋風玻璃100，該圖像產生單元21的影像(以第一圖案A表示)需先以倒立方式呈現(如圖5所示)，而經由該第三光路(圖5以OP₃₂代表反射於該擋風玻璃100的光路徑)反射於該擋風玻璃100，於該擋風玻璃100後產生的虛像才會呈現正立的第一圖案A；而當該抬頭顯示裝置欲將影像反射於該外裝平面屏幕200，該圖像產生單元21的影像(以第二圖案A’表示)則以正立方式呈現(如圖5所示)，而經由該第三光路(圖5以OP₃₁代表反射於該外裝平面屏幕200的光路徑)反射於該外裝平面屏幕200，於該外裝平面屏幕200後產生的虛像即會呈現正立的第二圖案A’。

為了更清楚說明，茲將同一個該抬頭顯示裝置2以僅需旋轉180度的方式即可將影像反射於該擋風玻璃100或反射於該外裝平面屏幕200時的一較佳實驗數據分別整理於下表1與表2中。

由表1與表2的光學路徑參數來看，其距離(mm)分別代表該抬頭顯示裝置2中的各元件、該使用者U與虛像I的相對距離關係，其中，正負值為方向之差異。在本實施例中，該圖像產生單元 21至該曲面鏡22的距離為120mm(見表1第3欄與表2第3欄所示)，該曲面鏡22至該凹面鏡23的距離則為80mm(見表1第3欄與表2第3欄所示)。

此外，表1與表2所載的傾斜角度表示該第二光路OP₂，及該第三光路OP₃分別與該曲面鏡22的法線夾角、與該凹面鏡23的法線夾角，及與該擋風玻璃100或該外裝平面屏幕200的法線夾角。具體地說，該第二光路OP₂與該曲面鏡22的法線的夾角為10.5°(即該第一夾角θ₁)，該第二光路OP₂與該凹面鏡22的法線的夾角為19°(即該第二夾角θ₂)，而該第三光路OP₃與該擋風玻璃100及該外裝平面屏幕200的法線的夾角則分別為66°與30°，由此可知，本實施例該第一夾角θ₁與第二夾角θ₂的比值為0.552。

參閱圖6，此處值得一提的是，當該抬頭顯示裝置2反射在該擋風玻璃100上時，該凹面鏡23可依不同使用者U的視角轉動，以改變該第三光路OP₃的方向，使其反射於該擋風玻璃100的不同位置，而可更適用於不同的使用者。

參閱圖7，相同地，當該抬頭顯示裝置2反射在該外裝平面屏幕200上時，也可藉由轉動該凹面鏡23，改變該第三光路OP₃的方向，而反射於該外裝平面屏幕200的不同位置。除此之外，由於該外裝平面屏幕200除了可固定地安裝於該儀表板平台101上之外，也可轉動且可移動地設置於該儀表板平台101上。因此，當該 外裝平面屏幕200為可轉動地設置於該儀表板平台101上時，則可僅須依該使用者U的視角而轉動該外裝平面屏幕200，不需轉動該凹面鏡23即可達成調整成像位置的功效。

綜上所述，本發明抬頭顯示裝置2，藉由讓該圖像產生單元21與該曲面鏡22至該水平視角線的垂直距離小於該凹面鏡23至該水平視角線的垂直距離，並且當該第二反射影像光線反射於該擋風玻璃100時，該曲面鏡相較該圖像產生單元21與該凹面鏡23是最鄰近於該使用者U設置，當該第二反射影像光線反射於該外裝平面屏幕200時，該曲面鏡22相較該圖像產生單元21與該凹面鏡23是最遠離該使用者U設置，並可讓該凹面鏡23設置於該圖像產生單元21的兩相反側的其中一者，從而讓該第二反射影像光線沿與該第二光路OP₂成角度且與該第一光路OP₁交錯的該第三光路OP₃行進，且能在讓該圖像產生單元21、該曲面鏡22，及該凹面鏡23三者的相對位置固定的情形下，將抬頭顯示器裝置2旋轉180度，即能達成不需改變該抬頭顯示裝置2的內部結構，而可同時運用在該擋風玻璃100及該外裝平面屏幕200的其中一者上，並且進一步地再搭配調整該第一夾角θ₁與該第二夾角θ₂的比值關係，可從而縮小該抬頭顯示裝置2的整體體積，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明 書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧擋風玻璃

200‧‧‧外裝平面屏幕

21‧‧‧圖像產生單元

22‧‧‧曲面鏡

23‧‧‧凹面鏡

OP₁‧‧‧第一光路

OP₂‧‧‧第二光路

OP₃₁‧‧‧第三光路

OP₃₂‧‧‧第三光路

A‧‧‧第一圖案

A’‧‧‧第二圖案

θ₁‧‧‧第一夾角

θ₂‧‧‧第二夾角

L₁‧‧‧第一假想線

U‧‧‧使用者

Claims (10)

1. 一種抬頭顯示裝置，適用於反射在一車輛的一擋風玻璃及一外裝平面屏幕的其中一者，並供一使用者觀看，該抬頭顯示裝置包含：一圖像產生單元，能產生一沿一第一光路行進的影像光線；一曲面鏡，位於該第一光路上，用以反射該圖像單元產生的該影像光線，而形成一第一反射影像光線，該第一反射影像光線沿一與該第一光路成角度的第二光路行進；及一凹面鏡，位於該第二光路上，該凹面鏡用以反射該第一反射影像光線，而形成一第二反射影像光線，該第二反射影像光線沿一與該第二光路成角度且與該第一光路交錯的第三光路行進，而反射於該擋風玻璃及該外裝平面屏幕的其中一者；其中，該圖像產生單元、該曲面鏡，及該凹面鏡三者的相對位置固定，定義一垂直該第一光路而位於該圖像產生單元與該曲面鏡之間的第一假想線，當該第二反射影像光線反射於該擋風玻璃相較於該第二反射影像光線反射於該外裝平面屏幕時，該圖像產生單元、該曲面鏡，及該凹面鏡分別以該第一假想線呈鏡像設置。
2. 如請求項1所述的抬頭顯示裝置，其中，定義一由該使用者觀看的水平視角線，該圖像產生單元與該曲面鏡至該水平視角線的垂直距離小於該凹面鏡至該水平視角線的垂 直距離，該凹面鏡設置於該圖像產生單元的兩相反側的其中一者，當該第二反射影像光線反射於該擋風玻璃時，該曲面鏡相較該圖像產生單元與該凹面鏡是最鄰近於該使用者設置，當該第二反射影像光線反射於該外裝平面屏幕時，該曲面鏡相較該圖像產生單元與該凹面鏡是最遠離該使用者設置。
3. 如請求項2所述的抬頭顯示裝置，其中，該凹面鏡設置於該圖像產生單元與該曲面鏡之間。
4. 如請求項1所述的抬頭顯示裝置，其中，該第二光路具有一與該曲面鏡的一法線成角度的第一夾角θ₁，及一與該凹面鏡的一法線成角度的第二夾角θ₂，且該第一夾角θ₁與第二夾角θ₂的比值介於0.43~1.25。
5. 如請求項2所述的抬頭顯示裝置，其中，當該第二反射影像光線反射於該擋風玻璃時，該凹面鏡位於該圖像產生單元與該使用者之間，當該第二反射影像光線反射於該外裝平面屏幕時，該圖像產生單元位於該凹面鏡與該使用者之間。
6. 如請求項5所述的抬頭顯示裝置，其中，當該第二反射影像光線反射於該擋風玻璃時，該凹面鏡可依該使用者的視角轉動。
7. 如請求項5所述的抬頭顯示裝置，其中，當該第二反射影像光線反射於該外裝平面屏幕時，該凹面鏡或該外裝平面屏幕可依使用者的視角轉動。
8. 一種抬頭顯示裝置，適用於反射在一外裝平面屏幕，並供一使用者觀看，該抬頭顯示裝置包含：一圖像產生單元，能產生一沿一第一光路行進的影像光線；一曲面鏡，位於該第一光路上，用以反射該圖像單元產生的該影像光線，而形成一第一反射影像光線，該第一反射影像光線沿一與該第一光路成角度的第二光路行進；及一凹面鏡，位於該第二光路上，該凹面鏡用以反射該第一反射影像光線，而形成一第二反射影像光線，該第二反射影像光線沿一與該第二光路成角度且與該第一光路交錯的第三光路行進，而反射於該外裝平面屏幕；其中，定義一由該使用者觀看的水平視角線，該圖像產生單元與該曲面鏡至該水平視角線的垂直距離小於該凹面鏡至該水平視角線的垂直距離，該凹面鏡設置於該圖像產生單元的兩相反側的其中一者，當該第二反射影像光線反射於該外裝平面屏幕時，該曲面鏡相較該圖像產生單元與該凹面鏡是最遠離該使用者設置。
9. 如請求項8所述的抬頭顯示裝置，其中，該凹面鏡設置於該圖像產生單元與該曲面鏡之間。
10. 如請求項8所述的抬頭顯示裝置，其中，該第二光路具有一與該曲面鏡的一法線成角度的第一夾角θ₁，及一與該凹面鏡的一法線成角度的第二夾角θ₂，且該第一夾角θ₁與第二夾角θ₂的比值介於0.43~1.25，當該第二反射影像光線 反射於該外裝平面屏幕時，該圖像產生單元位於該凹面鏡與該使用者之間，且該凹面鏡或該外裝平面屏幕可依使用者的視角轉動。